DE102018127752A1

DE102018127752A1 - Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018127752A1
Application number: DE102018127752.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Wachinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer fahrerseitigen Lenkhandhabe (13), die über eine Lenksäule (15) mit einer Lenkanordnung momentenübertragend gekoppelt ist, mittels der eine fahrerseitige Lenkbetätigung der Lenkhandhabe (13) auf gelenkte Fahrzeugräder (1) übertragbar ist, wobei die Lenkvorrichtung eine Sensoreinheit (29) aufweist, mittels der bei der Lenkbetätigung ein vom Fahrer auf die Lenkhandhabe (13) aufgebrachtes Lenkmoment (M) ermittelbar ist, wobei bei der Lenkbetätigung das Lenkmoment (M) unter Bildung eines Lenkmoment-Lastpfads (L) in die Lenksäule (15) eingeleitet wird, und wobei an einer Lenksäulen-Drehlagerstelle (19), aufgrund von lagerseitigen Trägheits- und/oder Reibungsmomenten, ein Verlustmoment (Mv) vom Lenkmoment-Lastpfad (L) abzweigt und in die Fahrzeugkarosserie (21) einleitbar ist, und zwar unter Bildung eines Verlust-Lastpfads (Lv). Erfindungsgemäß erfasst die Sensoreinheit (29) das in die Fahrzeugkarosserie (21) eingeleitete Verlustmoment (Mv). Der Sensoreinheit (29) ist eine Auswerteeinheit (39) zugeordnet, die auf der Grundlage des erfassten Verlustmoments (Mv) das damit korrelierende Lenkmoment (M) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einer solchen Lenkvorrichtung ist eine fahrerseitige Lenkhandhabe in gängiger Praxis über eine Lenksäule momentenübertragend mit einem Lenkgetriebe mechanisch gekoppelt. Eine fahrerseitige Lenkbewegung wird über das Lenkgetriebe auf die gelenkten Fahrzeugräder der Fahrzeug-Vorderachse übertragen. Alternativ dazu kann auf eine mechanische Kopplung zwischen der Lenkhandhabe und dem Lenkgetriebe verzichtet werden und anstelle dessen ein steer-by-wire-System eingesetzt werden, bei der die Lenkhandhabe mechanisch vom Lenkgetriebe entkoppelt ist.
Aus der der DE 10 2008 014 206 B3 ist ein gattungsgemäßes Fahrzeug bekannt, bei dem die Lenkvorrichtung einen Drehmomentsensor aufweist, mit dem ein bei der Lenkbetätigung auf die Lenkhandhabe vom Fahrer ausgeübtes Lenkmoment erfasst wird. Der Drehmomentsensor ist in elektrischer Signalverbindung mit einem Fahrassistenzsystem. Auf der Grundlage von unter anderem dem erfassten fahrerseitigen Lenkmoment kann das Fahrassistenzsystem in den Fahrbetrieb eingreifen. In der DE 10 2008 014 206 B3 ist der Drehmomentsensor als ein Dehnungsmessstreifen realisiert, der am Außenumfang der Lenksäule angeordnet ist. Die Lenksäule ist nicht aus einem verwindungssteifen Metall, sondern aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt. Dies ermöglicht es, den Dehnungsmessstreifen direkt in die Faserlagen der Lenksäule zu integrieren, um das darauf beaufschlagte Lenkmoment zu erfassen.
In der DE 10 2008 014 206 B3 ist somit unmittelbar an der Lenksäule ein Bauraum für die Anordnung der Dehnungsmessstreifen bereitzustellen. Zudem ist das Material der Lenksäule auf Faserverbundkunststoff festgelegt, um die Dehnungsmessstreifen in den Faserlagen der Lenksäule zu integrieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, bei der im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher sowie bauraumgünstiger Weise ein vom Fahrer in die Lenksäule eingebrachtes Lenkmoment erfassbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
In Abkehr zum Stand der Technik erfolgt die erfindungsgemäße Erfassung des Lenkmoments nicht mehr direkt an der Lenksäule, die mit dem Lenkmoment beaufschlagt ist. Vielmehr wird erfindungsgemäß das Lenkmoment indirekt, d.h. örtlich und funktionell entkoppelt von der Lenksäule, im Bereich einer karosserieseitigen Drehlagerstelle erfasst, an der die Lenksäule drehbar in der Fahrzeugkarosserie gelagert. Die Drehlagerstelle kann in üblicher Weise eine radial innere, drehfest auf dem Lenksäulen-Außenumfang sitzende Lagerinnenschale, eine radial äußere, drehfest auf einem karosserieseitigen Innenumfang sitzende Lageraußenschale sowie dazwischen angeordnete Wälz- oder Gleitkörper auf. Erfindungsgemäß wird der Sachverhalt genutzt, dass das Drehlager (meist ein Wälzlager) der Drehbewegung der Lenksäule stets einen Laufwiderstand entgegensetzt, der durch lagerseitige Trägheits- und/oder Reibungsmomente entsteht. Das Reibungsmoment des Drehlagers setzt sich aus einer Rollreibung im Wälzkontakt, einer Gleitreibung an verschiedenen Lager-Berührungsstellen, aus einer Schmierstoffreibung sowie aus einer Gleitreibung von schleifenden Lager-Dichtungen zusammen. Der Laufwiderstand in der Drehlagerstelle führt dazu, dass das Lenkmoment (unter Bildung eines Lenkmoment-Lastpfads) nicht komplett von der Lenkhandhabe in die Lenkanordnung übertragen wird, sondern ein geringfügiges Verlustmoment (unter Bildung eines Verlustmoment-Lastpfads) über die Drehlagerstelle in die Fahrzeugkarosserie eingeleitet wird. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfasst die Sensoreinheit das in die Fahrzeugkarosserie eingeleitete Verlustmoment, dessen Größe mit der Größe des in die Lenksäule eingeleiteten Lenkmoments korreliert. Der Sensoreinheit ist eine Auswerteeinheit zugeordnet. Diese ermittelt auf der Grundlage des erfassten Verlustmoments das damit korrelierende Lenkmoment.
Im Unterschied zu Erfindung bleibt im Stand der Technik das über die Drehlagerstelle in die Fahrzeugkarosserie eingeleitete Verlustmoment ungenutzt. Vielmehr besteht im Stand der Technik die eigentliche Aufgabe bei der Auslegung der Drehlagerung darin, ein Drehlager möglichst reibungsarm zu gestalten, um das entstehende Verlustmoment so gering wie möglich zu halten.
In einer technischen Umsetzung kann die Lenkvorrichtung einen Lenkwinkelsensor aufweisen, mittels dem bei einer Lenkbetätigung der Lenkwinkel der Lenkhandhabe sowie die Betätigungsgeschwindigkeit der Lenkhandhabe erfasst werden kann. Im Hinblick auf eine genauere Ermittlung des Lenkmomentes kann am Signaleingang der Auswerteeinheit nicht nur das mit dem Verlustmoment korrespondierende Signal anliegen, sondern zusätzlich auch ein mit dem Lenkwinkel und/oder der Betätigungsgeschwindigkeit korrespondierendes Signal anliegen, das von dem Lenkwinkelsensor erzeugt wird.
Im Hinblick auf eine signaltechnisch einfache Verarbeitung des mit dem Verlustmoment korrespondierenden Signals sowie im Hinblick auf eine einfache Ermittlung des Lenkmomentes ist es bevorzugt, wenn in der Auswerteeinheit Wertepaare nach Art einer Kennlinie hinterlegt sind. In diesem Fall kann in die Auswerteeinheit ein von der Sensoreinheit erfasstes Verlustmoment-Signal eingelesen werden und über die hinterlegte Kennlinie ein damit korrespondierendes Lenkmoment-Signal zugeordnet werden. Die Auswerteeinheit kann mit ihrem Signalausgang mit einem Fahrassistenzsystem in Signalverbindung sein, das unter anderem auf der Grundlage des ermittelten Lenkmomentes in den Fahrbetrieb eingreifen kann.
In einer technischen Realisierung kann die Drehlagerstelle ein Drehlager aufweisen, und zwar mit einer radial inneren, drehfest auf einem Lenksäulen-Außenumfang angeordneten Lagerinnenschale, mit einer radial äußeren Lageraußenschale, die drehfest auf einem karosserieseitigen Innenumfang angeordnet ist, sowie mit dazwischen angeordneten Wälz- oder Gleitkörpern. Bei der Lenkbetätigung wird das Verlustmoment (unter Bildung des Verlust-Lastpfads) von der Lenksäule über die Lagerinnen- und -außenschalen in die Fahrzeugkarosserie eingeleitet. In diesem Fall ist die Sensoreinheit bevorzugt entkoppelt von der Lenksäule im Verlust-Lastpfad eingebunden, und zwar bevorzugt zwischen der Lageraußenschale und der Fahrzeugkarosserie.
Die oben erwähnte Lageraußenschale des Drehlagers kann in einer konkreten Ausführungsform mit ihrem Außenumfang in einen Lagerauge einer Lagerkonsole eingepresst sein. Die Lagerkonsole kann zumindest einen, vom Lagerauge radial nach außen abragenden Konsolenflansch aufweisen. Dieser kann an einer Fügeebene unter Bildung einer Anbindungsstelle (bevorzugt Schraubverbindung) an einem karosserieseitigen Tragelement angebunden sein. In diesem Fall wird bei einer Lenkbetätigung das Lagerauge der Lagerkonsole mit dem Verlustmoment beaufschlagt, wodurch der radial nach außen abragende Konsolenflansch - je nach Drehsinn der Lenksäule - mit einer Druckkraft gegen das karosserieseitige Tragelement drückt oder alternativ dazu mit einer Zugkraft in Gegenrichtung beaufschlagt wird. Sowohl die Zugkraft als auch die Druckkraft korrelieren mit dem auf das Lagerauge der Lagerkonsole einwirkenden Verlustmoment.
Die Sensoreinheit kann die obige Druck- bzw. Zugkräfte erfassen und entsprechende Signale generieren. Diese werden von der Sensoreinheit zur Auswerteeinheit geleitet. In der Auswerteeinheit kann auf der Grundlage der mit der Zugkraft/Druckkraft korrespondierenden Signale das Lenkmoment ermittelt werden, so dass ein Lenkmoment-Signal am Signalausgang der Auswerteeinheit anliegt und gegebenenfalls zum Fahrassistenzsystem weitergeleitet wird.
Im Hinblick auf eine einwandfreie sowie konstruktiv besonders einfache Erfassung der Zugkraft bzw. der Druckkraft ist es bevorzugt, wenn die Sensoreinheit eine Kraftmesseinheit ist. Besonders bevorzugt kann die Kraftmesseinheit ein Dehnmessstreifen sein. Dieser kann bauraumgünstig in der Fügeebene zwischen dem Konsolenflansch der Lagerkonsole und dem karosserieseitigen Tragelement positioniert sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann die Lagerkonsole insgesamt zwei radial nach außen abragende Konsolenflansche aufweisen. Diese können einander winkelversetzt am Lagerauge der Lagerkonsole ausgebildet sein und in der Zusammenbaulage in einer gemeinsamen Fügeebene auf den karosserieseitigen Tragelement montiert sein. In diesem Fall kann die Lagerkonsole in der Fahrzeugquerrichtung betrachtet jeweils beidseitig einen Konsolenflansch aufweisen, der am karosserieseitigen Tragelement montierbar ist, und zwar unter Zwischenlage der erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Ansicht von oben eine Fahrzeug-Vorderachse mit angedeuteter Lenkvorrichtung; und
2 in einer schematischen Detailansicht eine Drehlagerstelle mit darin integrierten Dehnmessstreifen zur Erfassung eines bei einer Lenkbetätigung erzeugten Verlustmoments.

In der 1 ist die Fahrzeug-Vorderachse eines zweispurigen Fahrzeugs grob schematisch insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. So sind die gelenkten Vorderräder 1 jeweils von Radträgern 3 getragen, die über nicht gezeigte Radlenker am Fahrzeugaufbau (Fahrzeugkarosserie) angelenkt sind. Die Vorderräder 1 können über ein Vorderachsdifferenzial 2 sowie über Gelenkwellen 4 angetrieben werden. Zudem weist die Fahrzeug-Vorderachse ein Lenkgetriebe 5 auf, in dem in der Fahrzeugquerrichtung y eine Zahnstange 7 hubverstellbar geführt ist. Die Zahnstange 7 ist in der Fahrzeugquerrichtung y beidseitig über ein angedeutetes Gelenk 9 sowie über Spurstangen 11 mit den Radträgern 3 der gelenkten Vorderräder 1 trieblich verbunden.
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist eine fahrerseitige Lenkhandhabe 13 über eine Lenksäule 15 mit einer Ritzelwelle 17 momentenübertragend mechanisch gekoppelt. Die Ritzelwelle 17 ist in Zahneingriff mit der Zahnstange 7. Eine manuelle fahrerseitige Lenkbetätigung der Lenkhandhabe wird über die Ritzelwelle 17 auf die Zahnstange 7 übertragen, um einen Lenkhubweg in der Fahrzeugquerrichtung y zu verstellen, um an den gelenkten Vorderrädern 1 einen Lenkanschlag zu erzeugen. Gegebenenfalls kann dem Lenkgetriebe 5 eine nicht gezeigte Servolenkungseinheit zugeordnet sein, die die fahrerseitige Lenkbetätigung unterstützt.
In der 1 ist die Lenksäule 15 an zwei in Lenksäulen-Axialrichtung voneinander beabstandeten Drehlagerstellen 19 an einem karosserieseitigen Tragelement 21 drehgelagert. Eine der Drehlagerstellen 19 ist in der 2 detailliert beschrieben: Demzufolge weist die Drehlagerstelle 19 eine Lagerkonsole 23 mit einem ringförmigen Lagerauge 25 auf. In der Fahrzeugquerrichtung y sind beidseitig des Lagerauges 25 radial nach außen abragende Konsolenflansche 27 ausgebildet. Diese sind an Schraubstellen S jeweils am karosserieseitigen Tragelement 21 verschraubt, und zwar unter Zwischenordnung von später beschrieben Dehnmessstreifen 29. Die Dehnmessstreifen 29 sind in der 2 in einer Fügeebene F zwischen den beiden Konsolenflanschen 27 der Lagerkonsole 23 und dem karosserieseitigen Tragelement 21 positioniert.
In das Lagerauge 25 ist in der 2 ein Wälzlager 31 eingepresst, dass aus einer drehfest im Lagerauge-Innenumfang eingepressten Lageraußenschalen 33 und einer drehfest auf der Lenksäule 15 angeordneten Lagerinnenschale 35 mit zwischengeordneten Wälzkörpern 37 aufgebaut ist.
In der 2 ist eine fahrerseitige Lenkbetätigung angedeutet, bei der die Lenksäule 15 mit einem (in der 2) im Gegenuhrzeigersinn ausgerichteten Lenkmoment ML beaufschlagt ist. Bei der Lenkbetätigung der Lenkhandhabe 13 wird über die Lenkhandhabe 13 das Lenkmoment M_L unter Bildung eines Lenkmoment-Lastpfads L_M (1) in die Lenksäule 15 eingeleitet. An der Lenksäulen-Drehlagerstelle 19 wird aufgrund von lagerinternen Trägheits- und/oder Reibungsmomenten ein Verlustmoment MV vom Lenkmoment-Lastpfad L_M abgezweigt und in das karosserieseitige Tragelement 21 eingeleitet, und zwar unter Bildung eines Verlust-Lastpfads LV (1). Bei der Lenkbetätigung wird somit das Lagerauge 25 der Lagerkonsole 23 in der 2 um die Lenksäulen-Achse A mit dem Verlustmoment Mv beaufschlagt, wodurch der in der 2 rechte Konsolenflansch 27 mit einer Druckkraft F_D gegen das karosserieseitige Tragelement 21 gedrückt wird und der in der 2 linke Konsolenflansch 27 mit einer Zugkraft FZ von dem karosserieseitigen Tragelement 21 weggezogen wird.
Entsprechend werden in der 2 der linke Dehnmessstreifen 29 auf Zug beansprucht, während der rechte Dehnmessstreifen 29 auf Druck beansprucht wird. Sowohl die Zugkraft Fz als auch die Druckkraft F_D korrelieren mit dem auf die Lagerkonsole 23 wirkenden Verlustmoment Mv. Die Dehnmessstreifen 29 generieren auf der Grundlage der Druck- und Zugkraft FD, FZ elektronische Signale, die am Signaleingang einer Auswerteeinheit 39 anliegen. In der Auswerteeinheit 39 ist eine empirisch ermittelte Kennlinie K hinterlegt. Mittels der Kennlinie K kann das in die Auswerteeinheit 39 eingelesene Zugkraft-/Druckkraft-Signal einen damit korrelierenden Lenkmoment-Signal M_L zugeordnet werden.
In der 1 oder 2 ist die Auswerteeinheit 39 signaltechnisch mit dem Fahrassistenzsystem 41 gekoppelt, das unter anderem auf der Grundlage des in der Auswerteeinheit 39 ermittelten Lenkmoments M_L in den Fahrbetrieb eingreifen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008014206 B3 [0003, 0004]

Claims

Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer fahrerseitigen Lenkhandhabe (13), die über eine Lenksäule (15) mit einer Lenkanordnung momentenübertragend gekoppelt ist, mittels der eine fahrerseitige Lenkbetätigung der Lenkhandhabe (13) auf gelenkte Fahrzeugräder (1) übertragbar ist, wobei die Lenkvorrichtung eine Sensoreinheit (29) aufweist, mittels der bei der Lenkbetätigung ein vom Fahrer auf die Lenkhandhabe (13) aufgebrachtes Lenkmoment (M_L) ermittelbar ist, wobei bei der Lenkbetätigung das Lenkmoment (M_L) unter Bildung eines Lenkmoment-Lastpfads (L_M) in die Lenksäule (15) eingeleitet wird, und wobei an einer Lenksäulen-Drehlagerstelle (19), aufgrund von lagerseitigen Trägheits- und/oder Reibungsmomenten, ein Verlustmoment (Mv) vom Lenkmoment-Lastpfad (L_M) abzweigt und in die Fahrzeugkarosserie (21) einleitbar ist, und zwar unter Bildung eines Verlust-Lastpfads (Lv), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Lenkmoments (M_L) die Sensoreinheit (29) das in die Fahrzeugkarosserie (21) eingeleitete Verlustmoment (Mv) erfasst, und dass der Sensoreinheit (29) eine Auswerteeinheit (39) zugeordnet ist, die auf der Grundlage des erfassten Verlustmoments (Mv) das damit korrelierende Lenkmoment (M_L) erm ittelt.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkvorrichtung einen Lenkwinkelsensor (30) aufweist, mittels dem bei einer Lenkbetätigung der Lenkwinkel (a) der Lenkhandhabe (13) und die Betätigungsgeschwindigkeit (v) der Lenkhandhabe (13) erfassbar ist, und dass insbesondere das Lenkmoment (M_L) zusätzlich unter Berücksichtigung des Lenkwinkels (α) und/oder der Betätigungsgeschwindigkeit (v) ermittelbar ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (39) Wertepaare nach Art einer Kennlinie (K) hinterlegt sind, und dass mittels der Kennlinie (K) einem in die Auswerteeinheit (39) eingelesenen Signal (F_D, F_Z), das mit dem Verlustmoment (Mv) korrespondiert, ein Lenkmoment (M_L) zugeordnet wird, und dass insbesondere die Auswerteeinheit (39) signaltechnisch mit einem Fahrassistenzsystem (41) gekoppelt ist, mittels dem auf der Grundlage des ermittelten Lenkmoments (M_L) in den Fahrbetrieb eingreifbar ist.
Lenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlagerstelle (19) ein Drehlager (31) mit einer radial inneren, drehfest auf einem Lenksäulen-Außenumfang angeordneten Lagerinnenschale (35), mit einer radial äußeren, drehfest auf einem karosserieseitigen Innenumfang angeordneten Lageraußenschale (33) und mit dazwischen angeordneten Wälze- oder Gleitkörpern (37) aufweist, und dass bei der Lenkbetätigung das Verlustmoment (Mv) unter Bildung des Verlust-Lastpfads (Lv) von der Lenksäule (15) über die Lagerinnen- und -außenschalen (33, 35) in die Fahrzeugkarosserie (21) eingeleitet wird, und dass insbesondere die Sensoreinheit (29) örtlich und/oder funktionell entkoppelt von der Lenksäule (15) im Verlust-Lastpfad (Lv) zwischen der Lageraußenschale (33) und der Fahrzeugkarosserie (21) eingebunden ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageraußenschale (33) des Drehlagers (31) mit ihrem Außenumfang in einem Lagerauge (25) einer Lagerkonsole (23) eingesetzt, insbesondere eingepresst, ist, und dass die Lagerkonsole (23) zumindest einen, vom Lagerauge (25) radial nach außen abragenden Konsolenflansch (27) aufweist, der an einer Fügeebene (F) unter Bildung einer Anbindungsstelle (S) an einem karosserieseitigen Tragelement (21) angebunden ist, und dass insbesondere bei der Lenkbetätigung das Lagerauge (25) der Lagerkonsole (23) mit dem Verlustmoment (Mv) beaufschlagt ist, wodurch der Konsolenflansch (27), je nach Drehsinn der Lenksäule (15), mit einer Druckkraft (F_D) gegen das karosserieseitige Tragelement (21) drückt oder mit einer Zugkraft (Fz) von dem karosserieseitigen Tragelement (21) weg beaufschlagt wird, und dass insbesondere die Zugkraft (Fz) und die Druckkraft (F_D) mit dem Verlustmoment (Mv) korrelieren.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (29) eine Kraftmesseinheit ist, mittels der die Zugkraft (Fz) und/oder Druckkraft (F_D) erfassbar ist, und dass insbesondere die Kraftmesseinheit (29), insbesondere ein Dehnmessstreifen, in der Fügeebene (F) zwischen dem Konsolenflansch (27) der Lagerkonsole (23) und dem karosserieseitigen Tragelement (21) positioniert ist.
Lenkvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkonsole (23) insgesamt zwei radial abragende Konsolenflansche (27) aufweist, die zueinander winkelversetzt am Lagerauge (25) der Lagerkonsole (23) ausgebildet sind.